(57)【要約】  本開示は、ガスを検出および／または分析するためのセンサーに関する。センサーは、基板（１）と、基板（１）の中に配置されている凹部または開口部（２）と、第１のブリッジ構造体（３ａ）および第２のブリッジ構造体（３ｂ）とを備える。第１のブリッジ構造体（３ａ）および第２のブリッジ構造体（３ｂ）は、前記凹部または開口部（２）の上に延在し、基板（１）の中にアンカー固定されている。第１のブリッジ構造体（３ａ）は、第１のホットプレート（６ａ）を形成しており、第１のブリッジ構造体（３ａ）は、第１のホットプレート（６ａ）の上に配置されている、センシング材料の、とりわけ、金属酸化物材料の第１のパッチ（８ａ）と、第１のパッチ（８ａ）の電気的特性を測定するように適合されている電極（３０、３１）と、第１のホットプレートを加熱するように適合されている加熱器（２０）とを備える。第２のブリッジ構造体（３ｂ）は、温度センサー（３４）を備える。センサーは、加熱器を駆動するための、ならびに、電極および温度センサーからの信号を処理するための回路を備える。センサーは、第１のパッチ（８ａ）の電気的特性の測定を実施するように構成されている第１の動作モードと、ガスの熱的特性の測定を実施するために、第２のブリッジ構造体（３ｂ）をセンシングモードで動作させるように構成されている第２の動作モードとを提供する。熱的特性は、ガスの熱容量および／または熱伝導率および／または熱拡散率である。
2019537005.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスを検出および／または分析するためのセンサーであって、前記センサーは、
基板（１）と、
前記基板（１）の中に配置されている凹部または開口部（２）と、
前記凹部または開口部（２）の上に延在し、前記基板（１）の中にアンカー固定されている、第１のブリッジ構造体（３ａ）および第２のブリッジ構造体（３ｂ）と、
を備え、
前記第１のブリッジ構造体（３ａ）は、第１のホットプレート（６ａ）を形成しており、前記第１のブリッジ構造体（３ａ）は、
前記第１のホットプレート（６ａ）の上に配置されている、センシング材料の、特に、金属酸化物材料の第１のパッチ（８ａ）と、
前記第１のパッチの電気的特性を測定するように適合されている電極（３０、３１）と、
前記第１のホットプレート（６ａ）を加熱するように適合されている加熱器（２０）と、を備え、
前記第２のブリッジ構造体（３ｂ）は、少なくとも温度センサー（３４）を備え、
前記センサーは、前記加熱器を駆動するための、ならびに、前記電極（３０、３１）および前記温度センサー（３４）からの信号を処理するための回路（４ａ、４ｂ）を備え、
前記センサーは、
前記第１のパッチ（８ａ）の電気的特性の測定を実施するように構成されている第１の動作モードと、
前記ガスの熱的特性の測定を実施するために、前記第２のブリッジ構造体（３ｂ）をセンシングモードで動作させるように構成されている第２の動作モードと、
を提供し、ここで、前記熱的特性は、前記ガスの熱容量および／または熱伝導率および／または熱拡散率である、センサー。
【請求項２】
前記第２の動作モードは、前記ガスを加熱するために前記第１のホットプレート（６ａ）を加熱モードで動作させるように構成されている、請求項１に記載のセンサー。
【請求項３】
前記第２の動作モードは、
前記ガスを加熱するために、前記第１のホットプレート（６ａ）および／または第３のブリッジ構造体（３ｃ）のホットプレートを加熱モードで動作させるように構成されており、また、
前記第１のホットプレートおよび／または前記第３のブリッジ構造体のホットプレートの加熱の結果として、温度変化または１つもしくは複数の温度パラメーターを測定するために、ならびに、前記温度変化および／または前記温度パラメーターから前記ガスの前記熱的特性を決定するために、前記第２のブリッジ構造体（３ｂ）を前記センシングモードで動作させるように構成されている、請求項１または請求項２に記載のセンサー。
【請求項４】
前記第２のブリッジ構造体（３ｂ）は、第２のホットプレート（６ｂ）を形成しており、
前記第２のホットプレート（６ｂ）の上に配置されている、センシング材料の、特に金属酸化物材料の第２のパッチ（８ｂ）と、
前記第２のパッチ（８ｂ）の電気的特性を測定するように適合されている電極（３０、３１）と、
前記第２のホットプレート（６ｂ）を加熱するように適合されている加熱器（２０）と
を備え、
前記第１の動作モードは、前記第１のパッチ（８ａ）および前記第２のパッチ（８ｂ）の電気的特性の測定を実施するように構成されている、請求項１から３のいずれか一項に記載のセンサー。
【請求項５】
前記センサーは、ホットプレートと加熱器とを備える第３のブリッジ構造体を備え、前記第２の動作モードは、前記ガスを加熱するために、前記第３のブリッジ構造体の前記ホットプレート（６ｃ）を加熱モードで動作させるように構成されている、請求項１から４のいずれか一項に記載のセンサー。
【請求項６】
前記センサーは、前記第２の動作モードにおいて、前記ガスの熱容量および／または熱伝導率および／または熱拡散率の測定を実施するように動作可能である、請求項１から５のいずれか一項に記載のセンサー。
【請求項７】
前記センサーは、前記ガスのガス組成および／またはガス濃度を決定するために、前記第１の動作モードおよび前記第２の動作モードからの測定結果を組み合わせるように構成されている、請求項１から６のいずれか一項に記載のセンサー。
【請求項８】
前記センサーは、前記ガスの圧力を決定するために、前記第２の動作モードの測定結果を使用するように動作可能である、請求項１から７のいずれか一項に記載のセンサー。
【請求項９】
前記センサーは、前記第１の動作モードにおいて、前記第１のホットプレート（６ａ）および／または第２のホットプレート（６ｂ）および／または第３のブリッジ構造体（３ｃ）のホットプレート（６ｃ）の連続的なまたはパルス状の加熱を実施するように構成されている、請求項１から８のいずれか一項に記載のセンサー。
【請求項１０】
前記センサーは、前記第２の動作モードにおいて、
前記第１のホットプレート（６ａ）および／または第３のブリッジ構造体（３ｃ）のホットプレート（６ｃ）の連続的な加熱と、
前記第１のホットプレート（６ａ）の前記加熱、および／または、前記第３のブリッジ構造体（３ｃ）の前記ホットプレート（６ｃ）の前記加熱に応答して、前記第２のブリッジ構造体（６ｂ）の温度変化の測定と、を実施するように構成されている、請求項１から９のいずれか一項に記載のセンサー。
【請求項１１】
前記センサーは、前記第２の動作モードにおいて、
前記第１のホットプレート（６ａ）および／または第３のブリッジ構造体（３ｃ）のホットプレート（６ｃ）の非連続的な加熱、とりわけ、パルス状のまたは正弦波の加熱と、
前記第２のブリッジ構造体（３ｂ）の１つまたは複数の温度パラメーターの測定と、
を実施するように構成されている、請求項１から１０のいずれか一項に記載のセンサー。
【請求項１２】
前記センサーは、前記第２の動作モードにおいて、
前記第１のホットプレート（６ａ）および／または前記第３のブリッジ構造体（３ｃ）の前記ホットプレート（６ｃ）の温度信号と前記第２のブリッジ構造体（３ｂ）の温度信号との間の位相シフトの測定を実施するように構成されている、請求項１１に記載のセンサー。
【請求項１３】
前記センサーは、前記第２の動作モードにおいて、
前記第１のブリッジ構造体、前記第２のブリッジ構造体、および／または前記第３のブリッジ構造体の温度信号の振幅またはパルス高さの測定を実施するように構成されている、請求項１１または請求項１２に記載のセンサー。
【請求項１４】
前記センサーは、前記ガスの相対湿度を測定するための湿度センサー（１０１）、および／または、前記センサーを取り囲む前記ガスの圧力を決定するための圧力センサー（１０２）を備える、請求項１から１３のいずれか一項に記載のセンサー。
【請求項１５】
前記センサーは、前記第２の動作モードの１つもしくは複数のセンサーパラメーター、とりわけ、ドリフトパラメーターを較正するために、前記第１の動作モードからの測定結果を使用するように構成されており、および／または、前記第１の動作モードの１つもしくは複数のセンサーパラメーター、特に、ドリフトパラメーターを較正するために前記第２の動作モードからの測定結果を使用するように構成されている、請求項１から１４のいずれか一項に記載のセンサー。
【請求項１６】
前記センサーは、複数の第２のブリッジ構造体（３ｂ、３ｄ）を備え、
前記複数の第２のブリッジ構造体（３ｂ、３ｄ）のそれぞれは、温度センサーを備え、
前記複数の第２のブリッジ構造体のうちの少なくとも２つは、前記第１のブリッジ構造体（３ａ）および／または第３のブリッジ構造体（３ｃ）に対して、異なる距離に配置されており、
前記第２の動作モードは、前記複数の第２のブリッジ構造体（３ｂ、３ｄ）をセンシングモードで動作させ、前記ガスの熱的特性の差の測定を実施するように構成されている、請求項１から１５のいずれか一項に記載のセンサー。
【請求項１７】
前記第１のブリッジ構造体、前記第２のブリッジ構造体、および／または第３のブリッジ構造体は、
少なくとも、少なくとも１つの誘電体層（１３）によって分離されている第１および第２の金属層（１２、１４）を備え、ここで、前記第１の金属層（１２）は、前記加熱器を形成しており、前記第２の金属層（１４）は、少なくとも部分的に前記電極（３０、３１）を形成しており、前記第１の金属層（１２）は、特にタングステンまたはプラチナまたは金の層であり、前記第２の金属層（１４）は、特にプラチナまたは金の層である、請求項１から１６のいずれか一項に記載のセンサー。
【請求項１８】
前記第１のブリッジ構造体、前記第２のブリッジ構造体、および／または第３のブリッジ構造体（３ａ、３ｂ、３ｃ）は、前記第１のホットプレート、第２のホットプレート、および第３のホットプレート（６ａ、６ｂ、６ｃ）をそれぞれ形成する中央領域（５）と、前記中央領域（５）と前記基板（１）との間に延在する２つのアーム（７）とを含み、特に前記第１のブリッジ構造体、前記第２のブリッジ構造体、および／または前記第３のブリッジ構造体（３ａ、３ｂ、３ｃ）は、前記中央領域（５）と前記２つのアーム（７）とからなり、特に、前記中央領域（５）の幅（Ｄ）は、前記アーム（７）のそれぞれの最小幅（ｄ）よりも大きくなっている、請求項１から１７のいずれか一項に記載のセンサー。
【請求項１９】
前記第１の動作モードは、前記第１のパッチの電気インピーダンスの実数部または虚数部の測定を実施するように構成されている、請求項１から１８のいずれか一項に記載のセンサー。
【請求項２０】
請求項１から１９のいずれか一項に記載のセンサーを動作させるためのコンピュータープログラム製品であって、前記コンピュータープログラム製品は、プログラムインストラクションが具現化されているコンピューター可読のストレージ媒体を備え、前記プログラムインストラクションは、前記センサーが、
第１の動作モードにおいて、前記第１のパッチの電気的特性の測定と、
第２の動作モードにおいて、前記第２のブリッジ構造体による前記ガスの熱的特性の測定と、ここで、前記熱的特性は、前記ガスの熱容量および／または熱伝導率および／または熱拡散率であり、
を実施することを引き起こすように、前記センサーによって実行可能である、コンピュータープログラム製品。
【請求項２１】
請求項１から１９のいずれか一項に記載のセンサーを備える、電子デバイス、特にポータブル電子デバイス。
【請求項２２】
ガスを検出および／または分析するためのセンサーを動作させるための方法であって、前記センサーは、
基板（１）と、
前記基板（１）の中に配置されている凹部または開口部（２）と、
前記凹部または開口部（２）の上に延在し、前記基板（１）の中にアンカー固定されている、第１のブリッジ構造体（３ａ）および第２のブリッジ構造体（３ｂ）と、
を備え、
前記第１のブリッジ構造体（３ａ）は、第１のホットプレート（６ａ）を形成しており、前記第１のブリッジ構造体（３ａ）は、
前記第１のホットプレート（６ａ）の上に配置されている、センシング材料の、特に金属酸化物材料の第１のパッチ（８ａ）と、
前記第１のパッチの電気的特性を測定するように適合されている電極（３０、３１）と、
前記第１のホットプレート（６ａ）を加熱するように適合されている加熱器（２０）と、を備え、
前記第２のブリッジ構造体（３ｂ）は、少なくとも温度センサー（３４）を備え、
前記センサーは、前記加熱器を駆動するための、ならびに、前記電極および前記温度センサーからの信号を処理するための回路を備え、
前記方法は、
前記センサーの第１の動作モードにおいて、前記第１のパッチ（８ａ）の電気的特性の測定を実施することと、
前記センサーの第２の動作モードにおいて、前記ガスの熱的特性の測定を実施するために、前記第２のブリッジ構造体（３ｂ）をセンシングモードで動作させることと、ここで、前記熱的特性は、前記ガスの熱容量および／または熱伝導率および／または熱拡散率である、
を備える、方法。
【請求項２３】
前記第２の動作モードにおいて、前記ガスを加熱するために、前記第１のホットプレート（６ａ）および／または第３のブリッジ構造体のホットプレートを加熱モードで動作させることと、
前記第２の動作モードにおいて、前記第１のホットプレートおよび／または前記第３のブリッジ構造体の前記ホットプレートの前記加熱の結果として、温度変化または１つもしくは複数の温度パラメーターを測定することと、
前記温度変化および／または前記温度パラメーターから前記ガスの前記熱的特性を決定することと、を備える、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記第２の動作モードにおいて、前記第１のホットプレート（６ａ）および／または第３のブリッジ構造体（３ｃ）のホットプレート（６ｃ）の非連続的な加熱、とりわけ、パルス状のまたは正弦波の加熱を実施することと、
前記第２の動作モードにおいて、前記第２のブリッジ構造体（３ｂ）の１つまたは複数の温度パラメーターの測定を実施することと、を備える、請求項２２または２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記第１のホットプレート（６ａ）および／または第３のブリッジ構造体（３ｃ）のホットプレート（６ｃ）の温度信号と前記第２のブリッジ構造体（３ｂ）の温度信号との間の位相シフトの測定を実施すること、を備える、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記第１のブリッジ構造体、前記第２のブリッジ構造体、および／または第３のブリッジ構造体の温度信号の振幅またはパルス高さの測定を実施すること、を備える、請求項２４または２５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板の中に配置されている凹部または開口部と、前記凹部または開口部の上に位置付けられているホットプレートとを備えるセンサー、とりわけ、ガスセンサーに関する。金属酸化物などのようなセンシング材料のパッチが、ホットプレートの上に位置付けられており、センシング材料のパッチの電気的特性を測定するための電極が設けられている。
【背景技術】
【０００２】
米国特許出願公開第２０１４／０２０８８３０号は、シリコン基板の中の開口部に渡された膜を有するガスセンサーを説明している。膜は、ホットプレートを形成しており、一体化されたタングステン加熱器を有している。それに加えて、プラチナ層が、誘電体層によってタングステン加熱器から分離されており、プラチナ層は、センシング材料のパッチの抵抗を測定するための電極を形成している。
【０００３】
Ｍｕｌｌｅｒ  Ｇらは、「Ａ  ＭＥＭＳ  ｔｏｏｌｋｉｔ  ｆｏｒ  ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ  ｂａｓｅｄ  ｇａｓ  ｓｅｎｓｉｎｇ  ｆｉｌｍｓ」、ＴＨＩＮ  ＳＯＬＩＤ  ＦＩＬＭＳ、ＥＬＳＥＶＩＥＲ、ＡＭＳＴＥＲＤＡＭ、ＮＬ、ｖｏｌ．４３６、ｎｏ．１、２００３年７月２２日、３４−４５頁において、金属酸化物ベースのガスセンシングシステムを説明している。ガスセンシングシステムは、３つのまたは４つのシリコンホットプレートを備え、３つのまたは４つのシリコンホットプレートは、互いに熱的に絶縁されており、異なる温度で動作させられ得る。
【０００４】
米国特許第５０１９８８５Ａ号は、基板と、基板によって支持されている複数のガス感応性エレメントとを有する、ガス検出デバイスを説明している。ガスが検出される複数の所定の温度が提供される。また、ガス検出デバイスは、基板によって支持されている複数の対の電極リード線と、基板によって支持されている加熱器リード線とを含み、複数の対の電極のそれぞれは、ガス感応性エレメントのうちの対応する１つに接続されており、加熱器リード線は、ガス感応性エレメントのそれぞれが、複数の所定の温度のうちの対応する１つに設定されるように、複数のガス感応性エレメントを加熱する。
【０００５】
ＥＰ２７７８６６７Ａ１は、いくつかのセンシング場所がその上に配置された状態になっている膜を備えるガスセンサーを開示している。それぞれのセンシング場所において、ガス状検体の存在下においてその抵抗性を変化させるセンシング材料が設けられている。電極が、センシング材料の伝導性を示すパラメーターを測定するために、センシング材料と電気的接触をして膜の上に位置付けられている。センシング場所は、センシング場所において異なる温度を発生させるように構造化された加熱器アッセンブリによって加熱され、それは、異なる温度に関して測定を実施すること、および、そこから検体のより良好な理解を得ることを可能にする。
【０００６】
米国特許出願公開第２０１１／０１７４７９９Ａ１号は、マイクロホットプレートを開示しており、マイクロホットプレートは、センサーと、センサーを加熱するために配置されているマイクロホットプレートの中の１つまたは複数の抵抗加熱器とを備える、デバイスの形態になっている。そのうえ、コントローラーが、エレクトロマイグレーションを低減させるために、双方向駆動電流を加熱器のうちの少なくとも１つに印加するために設けられている。また、コントローラーは、実質的に一定の温度で加熱器を駆動する役割を果たしている。
【発明の概要】
【０００７】
本発明の目的は、強化された測定能力を有するセンサーを提供することである。
【０００８】
本発明の第１の態様の実施形態によれば、ガスを検出および／または分析するためのセンサーが提供される。センサーは、基板と、基板の中に配置されている凹部または開口部と、第１のブリッジ構造体および第２のブリッジ構造体とを備える。第１および第２のブリッジ構造体は、前記凹部または開口部の上に延在し、基板の中にアンカー固定されている。第１のブリッジ構造体は、第１のホットプレートを形成しており、第１のブリッジ構造体は、第１のホットプレートの上に配置されている、センシング材料の、とりわけ、金属酸化物材料の第１のパッチと、第１のパッチの電気的特性を測定するように適合されている電極と、第１のホットプレートを加熱するように適合されている加熱器とを備える。第２のブリッジ構造体は、少なくとも温度センサーを備える。センサーは、加熱器を駆動するための、ならびに、電極および温度センサーからの信号を処理するための回路を備える。センサー、とりわけ、回路は、第１のパッチの電気的特性の測定を実施するように構成されている第１の動作モードと、ガスの熱的特性の測定を実施するために、第２のブリッジ構造体をセンシングモードで動作させるように構成されている第２の動作モードとを提供する。熱的特性は、ガスの熱容量および／または熱伝導率および／または熱拡散率である。実施形態によれば、電気的特性は、第１のパッチの電気インピーダンスの実数部および／または虚数部であることが可能である。
【０００９】
そのような具現化されたセンサーは、分析されるはずのガスの複数のパラメーターの測定を可能にする。より具体的には、それは、第１の動作モードにおいて、第１のパッチと第１のパッチを取り囲むガスとの相互作用に依存して変化し得る、第１のパッチの電気的特性の測定を可能にする。他方では、具現化されたセンサーは、第２の動作モードにおいて、ガスの熱的特性の測定を可能にする。両方の測定の結果は、ガス自体の、および／または、ガスの環境条件、たとえば、ガス圧力などのさらなる分析のために使用され得る。
【００１０】
実施形態によれば、回路は、とりわけ、第１の動作モードおよび第２の動作モードにおいて、センサーを動作および制御するように適合されており、また、第１の動作モードおよび第２の動作モードにおいてとられた測定値からの信号を処理するように適合されている、制御回路および／または処理回路であることが可能である。
【００１１】
好適な実施形態によれば、第２の動作モードは、ガスを加熱するために第１のホットプレートを加熱モードで動作させるように構成されている。
【００１２】
そのような実施形態によれば、第１のブリッジ構造体は、第１の動作モードおよび第２の動作モードにおいて異なる機能を提供するように構成されている。第１の動作モードにおいて、第１のブリッジ構造体は、それぞれの周囲のガスの組成に応じて、第１のパッチのセンシング材料の電気的特性の変化をセンシングするために使用される。そして、第２の動作モードにおいて、第１のブリッジ構造体は、周囲のガスの熱的加熱を提供するために、加熱構造体として使用され、その結果は、第２のブリッジ構造体の温度センサーによって測定される。したがって、第１のブリッジ構造体に「ダブル機能性」を提供することによって、高密度集積が促進させられ得る。とりわけ、両方の機能性を有するセンサーが、１つの単一の基板および１つの単一のチップの上に集積され得る。
【００１３】
実施形態によれば、第２の動作モードは、ガスを加熱するために、第１のホットプレートおよび／または第３のブリッジ構造体のホットプレートを加熱モードで動作させるように構成されており、また、第１のホットプレートおよび／または第３のブリッジ構造体のホットプレートの加熱の結果として、温度変化または１つもしくは複数の温度パラメーターを測定するために、第２のブリッジ構造体をセンシングモードで動作させるように構成されている。そのうえ、センサーは、第２の動作モードにおいて、温度変化および／または温度パラメーターからガスの熱的特性を決定するように構成されている。
【００１４】
そのような実施形態によれば、第１のホットプレートおよび／または第３のホットプレートが、周囲のガスを加熱する。結果として、第２のブリッジ構造体において温度または温度信号が変化する。この温度変化は、ガスの熱的特性に依存し、ガスの熱的特性を決定するために使用され得る。実施形態によれば、第１のホットプレートの温度信号と第２のブリッジ構造体の温度信号との間の位相シフトが、たとえば、温度パラメーターとして測定され得る。
【００１５】
実施形態によれば、第１のブリッジ構造体は、温度センサーを備える。
【００１６】
好適な実施形態によれば、第２のブリッジ構造体もまた、ホットプレート、すなわち、第２のホットプレートを形成しており、第２のブリッジ構造体は、第２のホットプレートの上に配置されている、センシング材料の、とりわけ、金属酸化物材料の第２のパッチを備える。そのうえ、第２のブリッジ構造体は、第２のパッチの電気的特性を測定するように適合されている電極と、第２のホットプレートを加熱するように適合されている加熱器とを備える。この実施形態によれば、第１の動作モードは、第１のパッチおよび第２のパッチの電気的特性の測定を実施するように構成されている。
【００１７】
そのような実施形態によれば、また、第２のブリッジ構造体は、第１の動作モードおよび第２の動作モードにおいて、異なる機能を提供するように構成されている。第１の動作モードにおいて、第２のブリッジ構造体は、また、それぞれの周囲のガスの組成に応じて、第２のパッチのセンシング材料の電気的特性の変化をセンシングするためにも使用される。いくつかの実施形態によれば、第２のパッチは、第１のパッチとは異なるセンシング材料を備えることが可能である。他の実施形態によれば、第２のパッチは、同じセンシング材料を備えることが可能であるが、それは、第１のパッチとは異なる温度に加熱され得る。これは、第１の動作モードにおいて測定され得るパラメーターを強化する。
【００１８】
第２の動作モードにおいて、第２のブリッジ構造体は、ガスの熱的特性をセンシングまたは測定し、とりわけ、第１のブリッジ構造体の加熱によって引き起こされる温度変化を測定するためのセンシング構造体として使用される。したがって、第１のブリッジ構造体と第２のブリッジ構造体の両方に「ダブル機能性」を提供することによって、周囲のガスの複数の異なるパラメーターを測定することができるセンサーの高密度集積が、さらに促進させられ得る。
【００１９】
好適な実施形態によれば、センサーは、ホットプレートと加熱器とを備える第３のブリッジ構造体を備える。第２の動作モードは、ガスを加熱するために、第３のブリッジ構造体のホットプレートを加熱モードで動作させるように構成されている。
【００２０】
そのような実施形態によれば、第３のブリッジ構造体は、周囲のガスの熱的加熱を提供するための加熱構造体として使用され、その結果は、第２のブリッジ構造体の温度センサーによって測定される。また、いくつかの実施形態によれば、第１のブリッジ構造体と第３のブリッジ構造体の両方が、第２の動作モードにおける加熱構造体として使用され得る。
【００２１】
基板は、たとえば、シリコン基板であることが可能であり、基板は、センサーの機械的なフレームを形成している。基板は、随意的に、その上に集積された回路、とりわけ、ＣＭＯＳ回路を備え、より具体的には、加熱器を制御し、センサーを読み出すように適合されたＣＭＯＳ回路を備えることが可能である。
【００２２】
第１および第２のブリッジ構造体のみによって、凹部または開口部を渡すことによって、ホットプレートと基板との間の熱伝導が、薄いフィルム膜と比較して低減され得る。さらに、熱質量が低減され得る。これは、第１および第２のホットプレートの温度を迅速に変化させることを可能にする。
【００２３】
第１および第２のホットプレートのそれぞれの加熱器は、ホットプレートをセンシング材料の動作温度に加熱するために使用され得る。
【００２４】
電極は、検出されることとなる少なくとも１つのガス検体に応じて、センシング材料のそれぞれのパッチの電気的特性、すなわち、電気的特性を測定するために位置付けられている。
【００２５】
温度センサーは、ホットプレートおよび／またはブリッジ構造体の温度を測定するように適合されており、それらの信号は、測定を改良するために、および／または、ホットプレート／ブリッジ構造体の温度を制御するために使用され得る。温度センサーは、さまざまな方式で具現化され得る。１つの実施形態によれば、抵抗温度センサーが使用され得る。別の実施形態によれば、サーモパイルが使用され得る。さらなる別の実施形態によれば、加熱器自体が、温度センサーとして使用され得る。
【００２６】
実施形態によれば、センサーは、第２の動作モードにおいて、ガスの熱容量および／または熱伝導率および／または熱拡散率の測定を実施するように動作可能である。
【００２７】
この実施形態によれば、ガスの熱容量および／または熱伝導率および／または熱拡散率が、ガスの熱的特性／熱的パラメーターとして測定される。次いで、これらの特性／パラメーターは、ガスのさらなる分析および／またはセンサーの環境条件のために使用され得る。
【００２８】
実施形態によれば、センサーは、ガス組成および／またはガス濃度を決定するために、第１の動作モードおよび第２の動作モードからの測定結果を組み合わせるように構成されている。
【００２９】
そのような実施形態によれば、熱的特性の測定は、周囲のガスのガス組成および／またはガス濃度を決定するために、センシング材料のパッチの電気的特性の測定から導出される情報に加えて、追加的な情報として使用される。この追加的な情報は、とりわけ、かなり独自のまたは特徴的な熱的特性を有するガスに関して、センサーの精度、信頼性、および／または感度を向上させることが可能である。そのうえ、第１の動作モードおよび第２の動作モードの測定結果が、異なる物理的な原理に基づくことが可能であるので、分析が改善され得る。
【００３０】
別の実施形態によれば、センサーは、ガスの圧力を決定するために、第２の動作モードの測定結果を使用するように動作可能である。
【００３１】
そのようなガス圧力測定に関して、センサーを取り囲むガスが既知であるべきである。実施形態によれば、ガス自体は、たとえば、第１の動作モードにおいて決定され得、ガス圧力は、第２の動作モードにおいて決定され得る。
【００３２】
センサーを取り囲むガスが既知である場合には、熱伝導率測定が、ガス圧力を決定するために使用され得る。その理由は、熱伝導率が、それぞれのガスの圧力に依存するからである。
【００３３】
さらなる実施形態によれば、センサーは、第１の動作モードにおいて、第１のホットプレートおよび／または第２のホットプレートおよび／または第３のブリッジ構造体のホットプレートの連続的なまたはパルス状の加熱を実施するように構成されている。
【００３４】
さらなる実施形態によれば、第２の動作モードは、静的モードを備える。静的モードにおいて、センサーは、第２の動作モードにおいて、第１のホットプレートおよび／または第３のブリッジ構造体のホットプレートの連続的な加熱と、第２のブリッジ構造体の温度変化の測定とを実施するように構成されている。
【００３５】
静的モードにおいて、第１のホットプレートと第２のブリッジ構造体との間のサーマル熱流量（thermal heat flow）が定常状態に到達するように、および／または、第３のブリッジ構造体のホットプレートと第２のブリッジ構造体との間のサーマル熱流量が定常状態に到達するように、センサーが動作させられ得る。次いで、センサーは、第１のホットプレートの加熱に応答して、および／または、第３のブリッジ構造体のホットプレートの加熱に応答して、第２のブリッジ構造体において経験される温度変化を測定することが可能である。この温度変化は、第１のホットプレートおよび第３のブリッジ構造体のホットプレートのそれぞれと第２のブリッジ構造体との間に存在しているガスの熱伝導率の尺度である。温度変化は、たとえば、第２のブリッジ構造体の温度センサーによって測定され得る。
【００３６】
別の実施形態によれば、第２の動作モードは、動的モードを備える。動的モードにおいて、センサーは、第１のホットプレートおよび／または第３のブリッジ構造体のホットプレートの非連続的な加熱、とりわけ、パルス状のまたは正弦波の加熱を実施するように構成されている。非連続的な加熱は、変調された加熱としても示され得る。センサーは、動的モードにおいて、第２のブリッジ構造体の１つまたは複数の温度パラメーターの測定を実施するように構成されている。とりわけ、第１のホットプレートの温度信号と第２のブリッジ構造体の温度信号との間の位相シフトの測定が実施され得る。そのうえ、第３のブリッジ構造体（加熱構造体として使用される場合）のホットプレートの温度信号と第２のブリッジ構造体の温度信号との間の位相シフトの測定が実施され得る。そのうえ、第１のブリッジ構造体、第２のブリッジ構造体、および／または第３のブリッジ構造体の温度信号の振幅またはパルス高さの測定が実施され得る。
【００３７】
この実施形態によれば、加熱ホットプレート（それは、第１のホットプレートおよび／または第３のブリッジ構造体のホットプレートであることが可能である）と第２のブリッジ構造体との間のサーマル熱流量が一定ではなく、時間の経過とともに変化するように、センサーが動作させられる。したがって、加熱ホットプレートと第２のブリッジ構造体との間の熱流量は、定常状態に到達しない。そのような動的モードは、第１のホットプレートの温度信号と第２のブリッジ構造体または第２のホットプレートの温度信号との間の位相シフトなどのような、時間依存型の温度パラメーターを測定することも可能にする。温度信号は、とりわけ、第１のホットプレートの経時的な温度、第３のブリッジ構造体のホットプレートの経時的な温度、および、第２のブリッジ構造体の経時的な温度であることが可能である。温度信号は、ブリッジ構造体のそれぞれの温度センサーによって提供され得る。それに加えておよび／または代替的に、第１のブリッジ構造体／第１のホットプレート、第３のブリッジ構造体のホットプレート、および、第２のブリッジ構造体／第２のホットプレートの温度信号の振幅またはパルス高さが、温度パラメーターとして使用され得る。
【００３８】
好適な実施形態によれば、第２の動作モードは、静的モードと動的モードの両方を備える。そのような具現化されたセンサーは、次いで、少なくとも３つの異なる動作モード、すなわち、第１の動作モード、第２の動作モードの第１のサブモードとしての静的モード、および、第２の動作モードの第２のサブモードとしての動的モードを有している。
【００３９】
実施形態によれば、第１のモード、第２の動作モードの静的モード、および、第２の動作モードの動的モードは、シーケンシャルに実施され得、そのようなシーケンスは、定期的に繰り返され得る。
【００４０】
さらなる実施形態によれば、第１のモードおよび第２の動作モードの静的モード、または、第１のモードおよび第２の動作モードの動的モードは、並列に実施され得る。
【００４１】
後者の実施形態によれば、第１のホットプレートが加熱され、この第１のホットプレートの加熱は、同時に２つの異なる目的を果たす。一方では、それは、第１のパッチを所望の動作温度にまで持って行き、他方では、それは、周囲のガスを加熱し、第２のブリッジ構造体に向けて熱伝達を提供する。この熱伝達は、周囲のガスの熱的特性を測定することを可能にする。したがって、そのような実施形態は、同時におよび１つの単一の熱源のみによって、第１のパッチの電気的特性とガスの熱的特性とを測定することを可能にする。そのようなアプローチは、非常にエネルギー効率が良い。
【００４２】
別の実施形態によれば、センサーは、ガスの相対湿度を測定するための湿度センサーを備える。
【００４３】
そのような湿度センサーは、ガスの相対湿度に対するガスの熱的パラメーターの依存性を補償するために使用され得る。１つの実施形態によれば、湿度センサーが、オンチップセンサーとしてセンサーの中に一体化され得る。他の実施形態によれば、外部湿度センサーが使用され得る。
【００４４】
別の実施形態によれば、センサーは、第２の動作モードの１つもしくは複数のセンサーパラメーター、とりわけ、ドリフトパラメーターを較正するために、第１の動作モードからの測定結果を使用するように構成されており、および／または、第１の動作モードの１つもしくは複数のセンサーパラメーター、とりわけ、ドリフトパラメーターを較正するために第２の動作モードからの測定結果を使用するように構成されている。
【００４５】
これは、第１の動作モードおよび第２の動作モードの測定の精度を改善することが可能である。とりわけ、ＭＯＸガスセンサーは、ドリフトを備えることが多い。そのようなドリフト挙動は、第２の動作モードにおいて実施される熱的特性測定に対してＭＯＸガスセンサーを参照することによって、低減または最小化され得る。
【００４６】
さらなる実施形態によれば、センサーは、複数の第２のブリッジ構造体を備える。複数の第２のブリッジ構造体のそれぞれは、温度センサーを備え、複数の第２のブリッジ構造体のうちの少なくとも２つは、第１のブリッジ構造体および／または第３のブリッジ構造体であり得る加熱ブリッジ構造体に対して異なる距離に配置されている。第２の動作モードは、複数の第２のブリッジ構造体をセンシングモードで動作させ、ガスの熱的特性の差の測定を実施するように構成されている。また、第２のブリッジ構造体は、センシングブリッジ構造体としても示され得る。
【００４７】
そのような実施形態は、ガスを分析するための可能なオプション／パラメーターをさらに増加させる。とりわけ、第２のブリッジ構造体（センシングブリッジ構造体）を加熱ブリッジ構造体（第１のブリッジ構造体および／または第３のブリッジ構造体）から異なる距離に配置することは、第２の動作モードにおいて差の測定を実施することを可能にする。そのような差の測定によって、加熱ブリッジ構造体（加熱ホットプレート）と周囲のガスとの間の温度遷移の影響、ならびに、周囲のガスと第２のブリッジ構造体（センシングブリッジ構造体／センシングホットプレート）との間の温度遷移の影響が、排除され得る。換言すれば、第２のブリッジ構造体において測定される温度信号同士の間の差は、周囲のガスの熱的特性のみに依存している。
【００４８】
そのような差の測定は、第２の動作モードの静的サブモードならびに動的サブモードにおいて実施され得る。
【００４９】
さらなる実施形態によれば、第１の、第２の、および／または第３のブリッジ構造体は、少なくとも、少なくとも１つの誘電体層によって分離されている第１および第２の金属層を備える。第１の金属層は、それぞれのホットプレートの加熱器を形成しており、第２の金属層は、少なくとも部分的にそれぞれのホットプレートの電極を形成している。
【００５０】
誘電体層は、有利には、酸化ケイ素、窒化ケイ素、Ａｌ2Ｏ3、およびＴａ2Ｏ5からなる群から選択される少なくとも１つの材料のものである。
【００５１】
第１の金属層は、有利には、プラチナまたはタングステンの層である。これらの材料の両方は、高い加熱器温度に耐えるのに十分に適している。
【００５２】
第２の層は、有利には、プラチナまたは金の層である。この化学的に不活性な金属は、安定した電極を形成するのに十分に適している。
【００５３】
有利な幾何学形状では、ブリッジ構造体は、前記ホットプレートを形成する中央領域と、前記中央領域と前記基板との間に延在する２つのアームとを備える。中央領域の幅は、前記アームのそれぞれの最小幅よりも大きくなっており、それは、センシング材料を受け入れるための大きい面積を有するホットプレートを依然として提供しながら、ホットプレートと基板との間の熱伝導をさらに低減させる。それに加えて、これは、ブリッジ構造体の熱質量をさらに低減させ、それぞれのホットプレートの温度を迅速に変化させることを可能にする。
【００５４】
有利には、ブリッジ構造体は、前記中央領域および前記２つのアームから構成されており、すなわち、２つのアームが、中央領域と基板との間の唯一の接続を形成しており、それによって、熱伝導および熱質量をさらに低減させる。
【００５５】
中央領域は、有利には、円形の周囲を有しており、それは、製造プロセスの間にセンシング材料の液体前駆体を受け入れるのに十分に適した形状を中央領域に与えている。「円形の周囲」という用語の定義は、下記に提供されている。
【００５６】
代替的に、中央領域は、非円形の周囲、たとえば、長方形または多角形の周囲などを有することが可能である。
【００５７】
代替的に、または、それに加えて、中央領域は、複数の凹部および／または突起部によってパターン化された縁部を有することが可能である（中央領域がブリッジ構造体のアームに接続されているセクションを除く）。そのような縁部は、周囲の合計長さを増加させ、それによって、製造プロセスの間のセンシング材料の液体前駆体の（表面張力効果に起因する）横方向の閉じ込め（「ピンニング」）を改善する。それに加えてまたは代替的に、センシング材料の液体前駆体が、縁部の中の凹部によって形成されたベイの中へ引き込まれる場合には、とりわけ、凹部が狭い場合には、縁部は、パッチをアンカー固定することを改善することが可能である。
【００５８】
さらに別の実施形態では、センサーは以下を備える：
−  前記電極と前記基板との間に延在する少なくとも２つの電極リード線。これらの電極リード線は、前記２つのアームのうちの第１のものを通って延在する。
−  前記温度センサーと前記基板との間に延在する少なくとも２つの温度センサーリード線。これらの温度センサーリード線は、前記アームのうちの第２のものを通って延在する。
【００５９】
この設計は、温度センサーおよび電極のためのリード線を分離しており、コンパクトな設計およびより少ないクロストークを提供する。
【００６０】
簡単なレイアウトでは、電極は、同軸になっており、すなわち、それらは、共通の中心の周りに配置されている。有利には、それらは、中心電極および外側電極を備え、それらは、典型的に、互いから電気的に絶縁されている。中心電極は、円形になっており、外側電極は、少なくとも２４０°の、とりわけ、少なくとも２７０°の方位角に沿って、中心電極の周りに延在している。
【００６１】
代替的に、電極は、櫛形電極である。
【００６２】
有利な実施形態では、温度センサー、および、電極のうちの少なくとも１つ、とりわけ、両方の電極は、前記金属層のうちの同じもの、すなわち、第２の金属層によって形成されている。
【００６３】
別の実施形態では、電極のうちの第１のものは、電極のうちの第２のものの下方の層に配置されている。したがって、電極は、異なる金属層によって形成されており、それは、デバイスのコンパクトな設計を可能にする。
【００６４】
有利には、第１の電極は、第１の金属層によって形成されており、第２の電極は、第２の金属層によって形成されており、すなわち、第１の金属層は、加熱器のために、ならびに、電極のうちの１つのために使用される。
【００６５】
代替的に、第１の電極は、第１および第２の金属層から分離した第３の金属層によって形成されており、一方、第２の電極は、第２の金属層によって形成されており、それによって、２つの電極および加熱器を３つの異なる金属層の中に配置している。
【００６６】
有利には、第１の電極は、ホットプレートの金属層および誘電体層の最上部まで延在するウェルの底部に配置されている。センシング材料のパッチは、このウェルの中へ延在しており、それによって、第１の電極への良好な電気的接触も確立している。
【００６７】
第１のホットプレート、第２のホットプレート、および／または第３のホットプレートの温度センサーは、有利には、それぞれの加熱器から分離しており、すなわち、それらは、加熱器とは異なる構造体によって形成されている。加熱器は、上昇した温度において高い電流に露出させられているので、それは、エレクトロマイグレーション効果を受け、その理由のために、その電気的特性がドリフトする傾向にある。温度センサーを別々のデバイスとすることによって、その長期間の安定性が改善される。
【００６８】
代替的に、温度センサーは、加熱器自体によって形成され得、その場合、加熱器は、有利には、タングステンによって形成されている。その理由は、タングステンが、エレクトロマイグレーションに対して影響を受けにくいからである。
【００６９】
本発明の別の態様の実施形態によれば、第１の態様の実施形態によるセンサーを動作させるためのコンピュータープログラム製品が提供される。コンピュータープログラム製品は、プログラムインストラクションが具現化されているコンピューター可読のストレージ媒体を備えている。プログラムインストラクションは、センサーが、第１の動作モードにおいて、第１のパッチの電気的特性の測定と、第２の動作モードにおいて、第２のブリッジ構造体によるガスの熱的特性の測定とを実施することを引き起こすように、センサーによって実行可能である。熱的特性は、ガスの熱容量および／または熱伝導率および／または熱拡散率である。
【００７０】
本発明の別の態様の実施形態によれば、第１の態様の実施形態によるセンサーを備える電子デバイス、とりわけ、ポータブル電子デバイスが提供される。ポータブル電子デバイスは、たとえば、スマートフォンであることが可能である。
【００７１】
本発明の別の態様の実施形態によれば、第１の態様の実施形態によるセンサーを動作させるための方法が提供される。方法は、センサーの第１の動作モードにおいて、第１のパッチの電気的特性の測定を実施するステップと、センサーの第２の動作モードにおいて、ガスの熱的特性の測定を実施するために、第２のブリッジ構造体をセンシングモードで動作させるステップとを備える。熱的特性は、ガスの熱容量、熱伝導率、および／または熱拡散率である。
【００７２】
実施形態によれば、方法は、第２の動作モードにおいて、ガスを加熱するために、第１のホットプレートおよび／または第３のブリッジ構造体のホットプレートを加熱モードで動作させるステップを備える。さらなるステップは、第２の動作モードにおいて、第１のホットプレートおよび／または第３のブリッジ構造体のホットプレートの加熱の結果として、温度変化または１つもしくは複数の温度パラメーターを測定することと、温度変化および／または温度パラメーターからガスの熱的特性を決定することとを備える。
【００７３】
実施形態によれば、方法は、第２の動作モードにおいて、第１のホットプレートおよび／または第３のブリッジ構造体のホットプレートの非連続的な加熱、とりわけ、パルス状のまたは正弦波の加熱を実施するステップと、第２の動作モードにおいて、第２のブリッジ構造体の１つまたは複数の温度パラメーターの測定を実施するステップとを備える。
【００７４】
実施形態によれば、方法は、第１のホットプレートおよび／または第３のブリッジ構造体のホットプレートの温度信号と第２のブリッジ構造体の温度信号との間の位相シフトの測定を実施することを備える。
【００７５】
別の実施形態によれば、方法は、第１のブリッジ構造体、第２のブリッジ構造体、および／または第３のブリッジ構造体の温度信号の振幅またはパルス高さの測定を実施することを備える。
【００７６】
他の有利な実施形態は、従属請求項の中に、ならびに、下記の説明の中に列挙されている。
【００７７】
本発明は、その以下の詳細な説明から、より良好に理解されることとなり、上記に記載されているもの以外の目的が明らかになることとなる。そのような説明は、添付の図面を参照している。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】第１のデバイス幾何学形状を有する、本発明の実施形態によるセンサーの上面図。
【図２】第１の動作モードを図示する、図１のセンサーの上面図。
【図３】第２の動作モードの静的サブモードを図示する、図１のセンサーの上面図。
【図４】第２の動作モードの動的サブモードを図示する、図１のセンサーの上面図。
【図５】センサーのブリッジ構造体の中心部の上面図。
【図６】図５の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面図。
【図７】図５の実施形態の第２の金属層の中の構造体を示す図。
【図８】図５の実施形態の第１の金属層の構造体を示す図。
【図９】センサーのさらに別の実施形態のブリッジ構造体の中心部の上面図。
【図１０】第２のデバイス幾何学形状を有するセンサーの上面図。
【図１１】図１０からの詳細を示す図。
【図１２】非円形中央領域を備えたブリッジ構造体の一部を示す図。
【図１３】第２の動作モードの別の実施形態を図示する、図１のセンサーの上面図。
【図１４】センサーを動作させるための方法の方法ステップのフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００７９】
ブリッジ構造体の中心部のすべての上面図は、センシング材料のパッチを透明な様式で示しており、その下方の構造体は、破線または点線になっている。図面は、正しい縮尺になっていない。
【００８０】
定義
「プラチナ層」または「タングステン層」は、少なくとも５０％、とりわけ、少なくとも９０％の前記材料（プラチナまたはタングステン）を備える層であると理解される。層は、典型的に、連続的な層ではなく、たとえば、１つまたは複数の金属リード線を形成している構造化された層である。
【００８１】
同様に、「タングステンの」加熱器は、少なくとも５０％、とりわけ、少なくとも９０％のタングステンを備える加熱器を指定している。
【００８２】
「円形の周囲」という用語は、中央領域の円周方向の縁部（中央領域がブリッジのアームに接続されているセクションを除く）が、円形リングの中に存在しており、前記リングは、その半径の２０％以下の、とりわけ、１０％以下の半径方向の幅を有した状態になっているということを表現している。
【００８３】
「複数の凹部および／または突起部によってパターン化された縁部」は、一連の凹部および突起部（ベイおよびフィンガー）を形成する縁部であり、縁部が交互に内向きにおよび外向きに曲がる蛇行した経路を辿るようになっている。
【００８４】
「円形電極」は、その円周方向の縁部が円形リングの中に存在している電極であり、前記リングは、その半径の２０％以下の、とりわけ、１０％以下の半径方向の幅を有した状態になっている。
【００８５】
「上部」、「底部」、「上方」、「下方」などのような用語は、ブリッジを担持する基板の側部が基板の上部側部であるという意味において使用される。この意味において、図３の実施形態のセンシングパッチは、たとえば、電極の上方に、ホットプレートの上部に配置されている。
【００８６】
「半径方向の」および「方位角の」という用語は、ホットプレートの中心点に対する方向を説明しており、「半径方向の」は、中心点に向かうかまたは中心点から離れる方向を指定しており、「方位角の」は、中心点の周りの円形に対して接線の方向を指定している。
【００８７】
図１は、ガスを検出および／または分析するためのセンサー１００を示している。
【００８８】
この文脈において、ガスという用語は、すべての種類のガス混合物を含むはずであるということ、および、そのようなガス混合物は、複数の異なる成分を有することが可能であるということが留意されるべきである。センサー１００は、基板１、とりわけ、シリコンの基板を備えている。基板１は、その中に配置されている開口部または凹部２を有している。センサー１００は、この開口部または凹部２に渡されている複数の別々のブリッジ構造体を備えている。より具体的には、センサー１００は、第１のホットプレート６ａを形成する第１のブリッジ構造体３ａと、第２のホットプレート６ｂを形成する第２のブリッジ構造体３ｂと、第３のホットプレート６ｃを形成する第３のブリッジ構造体３ｃと、第４のホットプレート６ｄを形成する第４のブリッジ構造体３ｄとを備えている。以下では、それは、複数のブリッジ構造体、たとえば、複数のブリッジ構造体３ａ、３ｂ、３ｃ、および３ｄは、集合的にブリッジ構造体３と称され得、また、複数のホットプレート、たとえば、ホットプレート６ａ、６ｂ、６ｃ、および６ｄは、集合的にホットプレート６と称され得る。
【００８９】
センサー１００は、第１のホットプレート６ａの上に配置されているセンシング材料の第１のパッチ８ａと、第２のホットプレート６ｂの上に配置されているセンシング材料の第２のパッチ８ｂと、第３のホットプレート６ｃの上に配置されているセンシング材料の第３のパッチ８ｃと、第４のホットプレート６ｄの上に配置されているセンシング材料の第４のパッチ８ｄとを備えている。センシング材料は、とりわけ、金属酸化物材料であることが可能である。センシングパッチ８ａ、８ｂ、８ｃ、および８ｄは、同じセンシング材料または異なるセンシング材料を備えることが可能である。
【００９０】
センシング材料は、センシング材料を取り囲むガスの組成の関数として、少なくとも１つの電気的特性（とりわけ、その電気インピーダンスの実数部または虚数部）を変化させる材料である。特性の変化は、前記組成に関する情報を取得するために測定され得る。
【００９１】
センシング材料は、たとえば、少なくとも１つの金属酸化物材料を含有することが可能である。そのような金属酸化物材料は、一般的に、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化タングステン、酸化インジウム、および酸化ガリウムのうちの１つまたは複数を含むことが可能である。そのような金属酸化物は、ＶＯＣ、一酸化炭素、二酸化窒素、メタン、アンモニアまたは硫化水素などのような、検体の検出のために使用され得る。金属酸化物センサーは、１００℃を超える範囲にある、および、具体的には、２５０℃から４５０℃の間の範囲にある、感応性層の上昇した温度において、ガス状検体が金属酸化物層と相互作用するという概念に基づいている。触媒反応の結果として、感応性フィルムの伝導率が変化することが可能であり、その変化は、測定され得る。したがって、検体の化学的特性が感応性フィルムの高温における電気抵抗へと変換されるという理由のために、そのようなセンサーは、また、高温化学抵抗器（high temperature chemoresistor）として示されている。
【００９２】
ブリッジ構造体３ａ、３ｂ、３ｃ、および３ｄのそれぞれは、ホットプレート６ａ、６ｂ、６ｃ、および６ｄをそれぞれ形成する中央領域５と、中央領域５と基板１との間に延在する２つのアーム７とを備えており、それによって、ホットプレート６ａ、６ｂ、６ｃ、および６ｄを凹部または開口部２の上方に吊り下げている。アーム７は、互いに同一線上に延在しており、ホットプレートを備えた中央領域５がアーム７同士の間に配置された状態になっている。
【００９３】
ブリッジ構造体３ａ、３ｂ、３ｃ、および３ｄのそれぞれは、第１のパッチ８ａ、第２のパッチ８ｂ、第３のパッチ８ｃ、および第４のパッチ８ｄの電気的特性を測定するように適合された電極を備えている。そのうえ、ブリッジ構造体３ａ、３ｂ、３ｃ、および３ｄのそれぞれは、第１のホットプレート６ａと、第２のホットプレート６ｂと、第３のホットプレート６ｃと、第４のホットプレート６ｄとをそれぞれ加熱するように適合された加熱器を備えている。それに加えて、ブリッジ構造体３ａ、３ｂ、３ｃ、および３ｄのそれぞれは、それぞれのブリッジ構造体の温度を測定するために温度センサーを備えている。電極、加熱器、および温度センサーは、視覚的に明確にする理由のために、図１には示されておらず、詳細に下記に説明されることとなる。
【００９４】
さらに、基板１は、たとえば、さらに下記に説明されることとなるように、加熱器を駆動するための回路、ならびに、電極および温度センサーからの信号を処理するための回路を含む、集積されたＣＭＯＳ回路４ａおよび４ｂを担持している。これのために、ＣＭＯＳ回路４ａおよび４ｂは、相互接続回路９を介して、加熱器、電極、および温度センサーに電気的に接続されている。有利には、本明細書で説明されているデバイス全体は、現在のＣＭＯＳ製造プロセスと相性が良いので、処理回路４ａ、４ｂは、ＣＭＯＳ技術の中に一体化されている。基板１に搭載されたＣＭＯＳ回路を有することは、基板への結合の数を低減させること、および、信号対雑音比を増加させることを可能にする。実施形態によれば、回路４ａ、４ｂは、とりわけ、第１の動作モードおよび第２の動作モードにおいて、センサー１００を動作させて制御するように適合されており、また、第１の動作モードおよび第２の動作モードにおいて行われた測定からの信号、とりわけ、１つもしくは複数の温度センサーからの温度信号および／または温度パラメーターを処理するように適合されている、制御回路および／または処理回路であることが可能である。
【００９５】
図１に示されているタイプの構造体は、たとえば、ＥＰ２２７８３０８または米国特許出願公開第２０１４／０２０８８３０号に説明されているような技法を使用して構築され得る。
【００９６】
とりわけ、製造するためのプロセスは、基板１の上に複数の誘電体層および金属層を形成するステップを備える。これらの層のうちのいくつかは、たとえば、金属間誘電体層および金属層として、ＣＭＯＳ回路４ａ、４ｂを形成するためのプロセスの過程において堆積させられ得、一方、他の層は、たとえば、高張力（tensile）窒化ケイ素層など、後処理の間に適用され得る。次いで、凹部または開口部２が、選択的な異方性エッチング技法を使用して形成される。センシング材料のパッチ８ａ、８ｂ、８ｃ、および８ｄは、たとえば、センシング材料の液体前駆体の１つまたは複数の液滴が、たとえば、ＥＰ２９５２８８５に説明されているものなどのように、ホットプレートに適用される、ディスペンシング技法を使用して適用され得る。
【００９７】
センサー１００は、センサー１００を取り囲むガスの相対湿度を測定するための湿度センサー１０１、ならびに、センサーを取り囲むガスの圧力を決定するための圧力センサー１０２とを備えることが可能である。
【００９８】
センサー１００は、少なくとも２つの異なる動作モード、すなわち、第１の動作モードおよび第２の動作モードにおいて動作させられ得る。
【００９９】
図２は、第１の動作モードにおけるセンサー１００の動作を図示している。第１の動作モードにおいて、センサー１００は、パッチ８ａ、８ｂ、８ｃ、および８ｄのうちの１つまたは複数の電気的特性の測定を実施する。これは、とりわけ、それぞれのパッチの抵抗の測定であることが可能である。それぞれのパッチを所望の動作温度に持って行くために、センサー１００は、ホットプレート６ａ、６ｂ、６ｃ、および／または６ｄの連続的なまたはパルス状の加熱を実施する。図２の実施形態によれば、ホットプレート６ａ、６ｂ、６ｃ、および６ｄは、それぞれ、加熱パワーＨＰ１、ＨＰ２、ＨＰ３、およびＨＰ４によって動作させられる。加熱パワーＨＰ１、ＨＰ２、ＨＰ３、およびＨＰ４は、すべて異なっていることが可能であり、したがって、ホットプレート６ａ、６ｂ、６ｃ、および６ｄは、異なる温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、およびＴ４において動作させられ得る。次いで、センサー１００は、パッチ８ａ、８ｂ、８ｃ、および８ｄの電気抵抗の４つの異なる電気的な測定ＥＭ１、ＥＭ２、ＥＭ３、およびＥＭ４をそれぞれ実施する。したがって、ガス状環境の４つの異なるパラメーターが、一度に測定され、それによって、その組成のより良好な理解を得ることが可能である。そのうえ、上記に述べられているように、ホットプレート６ａ、６ｂ、６ｃ、および６ｄのそれぞれは、周囲のガスの異なる測定パラメーターおよび異なる情報を提供することができる、異なるセンシング材料を装備していることが可能である。実施形態によれば、すべての種類の組み合わせが使用され得る。例として、パッチ８ａおよび８ｂは、同じセンシング材料を有することが可能であるが、異なる温度で動作させられ得、一方、パッチ８ｃおよび８ｄは、同じ温度で動作させられる異なるセンシング材料を有することが可能である。
【０１００】
図３および図４は、第２の動作モードのサブモードとしても考えられ得る、第２の動作モードの２つの異なる実施形態を図示している。一般に、第２の動作モードにおいて、センサー１００は、第１のホットプレート６ａを加熱モードで動作させ、他のホットプレート６ｂ、６ｃ、および６ｄのうちの１つまたは複数をセンシングモードで動作させる。
【０１０１】
図３は、第２の動作モードの静的サブモードを図示している。静的サブモードにおいて、第１のホットプレート６ａは、一定のまたは静的な加熱パワーＨＰ５によって加熱モードで動作させられ、それによって、第１のホットプレート６ａを取り囲むガスを一定に加熱する。加熱パワーを制御するために、センサー１００は、第１のホットプレート６ａの温度測定ＴＭ１を実施する。他のホットプレート、すなわち、第２のホットプレート６ｂ、第３のホットプレート６ｃ、および第４のホットプレート６ｄは、センシングモードで同時に動作させられ、加熱パワーＨＰ５に応答する温度変化の測定を実施する。より具体的には、ホットプレート６ｂは、温度測定ＴＭ２を実施し、ホットプレート６ｃは、温度測定ＴＭ３を実施し、ホットプレート６ｄは、温度測定ＴＭ４を実施する。それに加えて、センサー１００は、第１のホットプレート６ａの第１のセンシングパッチ８ａの電気抵抗の電気的な測定ＥＭ５を同時に実施することが可能である。
【０１０２】
次いで、センサー１００は、たとえば、それぞれ、ホットプレート６ｂ、６ｃ、および６ｄの温度Ｔ２、Ｔ３、および／またはＴ４に対する第１のホットプレート６ａの温度Ｔ１の比率から、ガスの熱伝導率を決定することが可能である。
【０１０３】
図１に図示されているように、第２のブリッジ構造体３ｂは、第１のブリッジ構造体３ａから距離ｄ1に配置されており、第３のブリッジ構造体３ｃは、第１のブリッジ構造体３ａから距離ｄ2に配置されており、第４のブリッジ構造体３ｄは、第１のブリッジ構造体３ａから距離ｄ3に配置されている。
【０１０４】
異なる距離ｄ1、ｄ2、およびｄ3は、ガスとそれぞれのホットプレート／ブリッジ構造体との間の温度遷移を排除するために、差の測定を実施するために使用され得る。例として、温度差（Ｔ２−Ｔ３）に対する温度Ｔ１の比率がとられ得る。そのような実施形態によれば、第２のブリッジ構造体３ｂ、第３のブリッジ構造体３ｃ、および第４のブリッジ構造体３ｄは、一般に、第２のブリッジ構造体またはセンシングブリッジ構造体とも称され得る。
【０１０５】
図４は、第２の動作モードの動的サブモードを図示している。動的サブモードにおいて、第１のホットプレート６ａは、非連続的な加熱パワーＨＰ６によって加熱モードで動作させられ、温度信号Ｔ５を結果として生じさせる温度測定ＴＭ５を実施する。加熱パワーＨＰ６は、とりわけ、パルス状のまたは正弦波の形状を有することが可能である。
【０１０６】
好適な実施形態によれば、正弦波の加熱パワーＨＰ６の周波数は、５００Ｈｚから５ｋＨｚの間の範囲にあることが可能であり、さらにより好適な実施形態によれば、１ｋＨｚから２ｋＨｚの間の範囲にあることが可能である。そのような高速の熱的変調は、本発明の実施形態によるホットプレート／ブリッジ構造体の低い熱質量によって促進される。
【０１０７】
他のホットプレート、すなわち、第２のホットプレート６ｂ、第３のホットプレート６ｃ、および第４のホットプレート６ｄは、センシングモードで同時に動作させられ、それぞれのブリッジ構造体／ホットプレートの温度の温度測定を実施する。より具体的には、ホットプレート６ｂは、温度信号Ｔ６を結果として生じさせる温度測定ＴＭ６を実施し、ホットプレート６ｃは、温度信号Ｔ７を結果として生じさせる温度測定ＴＭ７を実施し、ホットプレート６ｄは、温度信号Ｔ８を提供する温度測定ＴＭ８を実施する。それに加えて、センサー１００は、第１のセンシングパッチ８ａの電気抵抗の電気的な測定ＥＭ６を同時に実施することが可能である。次いで、センサー１００は、たとえば、第１のホットプレートの温度信号Ｔ５とブリッジ構造体３ｂ、３ｃ、および３ｄの温度信号Ｔ６、Ｔ７、およびＴ８との間の位相シフトをそれぞれ決定することが可能である。それに加えてまたは代替的に、センサー１００は、第１のホットプレート６ａの温度信号Ｔ５とブリッジ構造体３ｂ、３ｃ、および３ｄの温度信号Ｔ６、Ｔ７、およびＴ８の信号振幅との間の信号振幅の差をそれぞれ決定することが可能である。
【０１０８】
動的モードは、周囲のガスの熱伝導率および熱容量についての情報を提供することが可能である。
【０１０９】
文献「Ｉｎｔｅｇｒｉｅｒｔｅｓ  Ｓｅｎｓｏｒｓｙｓｔｅｍ  ｚｕｒ  ｐｈｙｓｉｋａｌｉｓｃｈｅｎ  Ｇａｓａｎａｌｙｓｅ」、ＨＳＧ−ＩＭＩＴ、Ｉｎｓｔｉｔｕｔ  ｆｕｒ  Ｍｉｋｒｏ−  ｕｎｄ  Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｓｔｅｃｈｎｉｋ  ｄｅｒ  Ｈａｈｎ−Ｓｃｈｉｃｋａｒｄ−Ｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ  ｅ．Ｖ．、Ａｂｓｃｈｌｕｓｓｂｅｒｉｃｈｔ−Ｋｕｒｚｆａｓｓｕｎｇ、０７．１２．２０１１、Ｐｒｏｊｅｃｔ  Ｎｒ．３１３６０１、ＡｉＦ−Ｎｒ．１６０４６  Ｎにおいて、Ｋｕｒｔ  Ｋｌｉｃｈｅによって開示されているような１つの公知のモデルによれば、ガスの熱伝導率αは、以下のように決定され得る：
α＝π・ｆ・（ｄ２−ｄ１）2／Δφ2
ここで、ｆは、加熱源の正弦波の加熱パワーの周波数であり、
ｄ２およびｄ１は、加熱源からの温度センサーの距離であり、
φは、温度センサーの測定された温度信号同士の間の位相シフトである。
【０１１０】
第１のホットプレート６ａ（加熱ホットプレート）とセンシングホットプレート６ｂ、６ｃ、および６ｄとの間の異なる距離を考慮すると、異なる体積が、第１のホットプレート６ａによって加熱されることとなる。測定される温度信号Ｔ６、Ｔ７、およびＴ８は、加熱ホットプレート６ａとそれぞれのセンシングホットプレートとの間の距離に依存する。そのうえ、それらは、周囲のガスの熱伝導率、周囲のガスの熱容量、ガス圧力、および、ガスの相対湿度に依存し得る。
【０１１１】
湿度センサー１０１は、ガスの相対湿度を測定するために使用され得、また、ガスの熱伝導率および熱容量に対する相対湿度の影響を排除するために使用され得る。
【０１１２】
使用され得る１つの公知のタイプの半導体ベースの湿度センサーは、基板を備え、キャパシターが、基盤の上に、櫛形に互いに組み合わせられた金属電極によって形成されている。湿分感応性誘電体のパッチが、電極の上に配設されている。湿分感応性誘電体は、相対的な環境湿度に応じて、水を吸収および解放し、湿分感応性誘電体の誘電率の変化を引き起こし、したがって、キャパシターの静電容量を変化させる。この静電容量の変化は、電子回路によって測定され、電子回路は、同じ基板の上に集積され得る。このタイプの容量式の半導体ベースの湿度センサーの例は、たとえば、米国特許第６，６９０，５６９号に開示されている。
【０１１３】
圧力センサー１０２は、ガスのガス圧力を測定するために使用され得、また、ガスの熱伝導率および熱容量に対するガス圧力の影響を排除するために使用され得る。
【０１１４】
圧力センサーは、容量式の半導体ベースの圧力センサーとして具現化され得る。そのようなセンサーは、キャビティーをカバーする変形可能な膜を備えることが可能である。第１の電極は、キャビティーの中に配設されているか、または、キャビティーの壁部部分によって形成されている。膜は、第２の電極を形成するかまたは担持している。圧力変化は、膜の変形を引き起こす。そのような変形は、２つの電極の間の静電容量を変化させる。これらの変化は、センサーと一体化された回路によって検出される。このタイプの圧力センサーのさまざまな例は、たとえば、米国特許第７，７０４，７７４Ｂ２号に開示されている。
【０１１５】
別の実施形態によれば、センサー１００は、また、圧力センサーとして具現化され得る。そのような実施形態によれば、センサーを取り囲むガスは、既知であるべきである。これは、既知のガス状環境の中でセンサー１００を動作させること、または、第１の動作モードにおいてそれぞれのガスを決定することのいずれかによって、確立され得る。センサー１００を取り囲むガスが既知である場合には、第２の動作モードの熱伝導率測定は、熱伝導率がそれぞれのガスの圧力に依存するので、ガス圧力を決定するために使用され得る。
【０１１６】
いくつかの実施形態によれば、センサー１００は、周囲のガスのガス組成および／またはガス濃度を決定するために、第１の動作モードおよび第２の動作モードからの測定結果を組み合わせることが可能である。好ましくは、センサーは、３つの動作モード、すなわち、第１の動作モード、第２の動作モードの静的サブモード、および、第２の動作モードの動的サブモードからの測定結果を組み合わせる。
【０１１７】
この組み合わせられた情報は、たとえば、精度、信頼性、および感度の観点から、ガス分析を改善するために使用され得る。
【０１１８】
第２の動作モードの他の実施形態によれば、加熱モードで動作するそれぞれのホットプレート、および、センシングモードで動作するホットプレートは、変更され得るということが留意されるべきである。例として、第２の動作モードの他の実施形態によれば、ホットプレート６ｂは、加熱モードで動作することが可能であり、一方、他のホットプレート６ａ、６ｃ、および６ｄは、センシングモードで動作することが可能である。
【０１１９】
以下では、センサー１００の効率的なおよび正確な動作を促進させるブリッジ構造体３ａ、３ｂ、３ｃ、および３ｄのさまざまな実施形態が、より詳細に説明される。とりわけ、本発明の実施形態によるブリッジ構造体は、ホットプレート６ａ、６ｂ、６ｃ、および６ｄの高速の熱的変調を促進させる低い熱容量と低い熱質量とを提供するように設計されている。下記に説明されている実施形態は、さまざまな有利な態様を図示しており、それは、互いに組み合わせられ得るか、または、個別に使用され得る。とりわけ、特徴が下記の実施形態のうちの１つだけに関して述べられている場合でも、それは、有利には、他の実施形態の中でもまたは別々にも使用され得る。
【０１２０】
以下では、ブリッジ構造体３ａ、３ｂ、３ｃ、および３ｄの実施形態のより詳細な図が提供される。ブリッジ構造体３ａ、３ｂ、３ｃ、および３ｄのそれぞれは、下記に説明されているように具現化され得る。参照しやすくするために、それは、一般に、ブリッジ構造体３ａ、３ｂ、３ｃ、および３ｄをブリッジ構造体３と称する可能性がある。対応する様式で、一般に、ホットプレート６ａ、６ｂ、６ｃ、および６ｄをホットプレート６と称し、パッチ８ａ、８ｂ、８ｃ、および８ｄをパッチ８と称する可能性がある。
【０１２１】
ブリッジ構造体３の第１の実施形態が、図５〜図８に図示されている。これらの図は、中央領域５、ならびに、ブリッジ構造体３のアーム７の中央端部とを示している。
【０１２２】
図５および図６から最良に見ることができるように、中央領域５は、上記に定義されているような円形の周囲１０を有している。その直径／幅Ｄは、それぞれのアーム７の最小幅ｄよりも大きくなっている。たとえば、中央領域５の幅Ｄは、２０μｍから５０μｍの間にあることが可能であり、一方、それぞれのアームの最小幅ｄは、１０μｍから２０μｍの間にあることが可能である。
【０１２３】
ブリッジ構造体３は、複数の誘電体層および金属層によって形成されている。金属層は、より詳細に下記に説明されることとなる。誘電体層は、とりわけ、酸化ケイ素および／または窒化ケイ素の層を備えることが可能である。
【０１２４】
１つの実施形態では、図６に示されているように、ブリッジ構造体３は、少なくとも１つの最底部の誘電体層１１と、第１の金属層１２と、第２の誘電体層１３と、第２の金属層１４と、上部誘電体層１５とを備えることが可能である。（さまざまな層のおおよそのレベルを示す参照数字が、図６の左に示されている。）
より詳細に下記に議論されているように、最底部の誘電体層１１は、省略されることも可能であり、または、第１の金属層１２の一部の上だけに存在し、それによって、ホットプレート６の底部において第１の金属層１２の少なくとも一部を露出させることも可能である。
【０１２５】
示されている実施形態では、センシング材料のパッチ８は、中央領域５の実質的にすべてをカバーし、すなわち、ホットプレート６のすべてをカバーしている。
【０１２６】
１つの有利な実施形態では、パッチ８は、ホットプレート６の一方の側のみに適用されており、すなわち、その上部側に適用されているが、その底部側には適用されていない。代替的に、および、下記に述べられているように、パッチ８は、ホットプレート６の底部側の少なくとも一部の上に延在することも可能である。
【０１２７】
パッチ８の厚さは、比較的に薄い。有利には、それは、２０μｍ未満、とりわけ、１０μｍ未満になっており、それは、典型的には、少なくとも１μｍになっている。
【０１２８】
第１の金属層：
第１の金属層１２は、示されている実施形態では、ブリッジ構造体３の中の最底部の金属層である。それは、有利には、タングステン、プラチナ、または金の層である。第１の金属層１２によって形成される構造体は、図５の中の点線で示されており、また、図８の中の黒い領域として示されている。
【０１２９】
第１の金属層１２は、加熱器２０と加熱器リード線２１とを形成している。
【０１３０】
加熱器２０の目的は、２要素からなる。第１の動作モードにおいて、その目的は、１つまたは複数の検体を測定するために適切な温度まで、ホットプレート６ａ、６ｂ、６ｃ、および／または６ｄを加熱するということである。典型的な温度は、上記に与えられている。また、それは、センシング材料をその通常動作温度を上回る温度まで加熱し、それによって、任意の吸着または結合された汚染物質を解放することによって、センサーを熱的にリセットするために使用され得る。
【０１３１】
第２の動作モードにおいて、第１のホットプレート６ａの加熱器２０の目的は、センシングモードで動作させられている他のホットプレート６ｂ、６ｃ、および６ｄの加熱器２０がスイッチオフされている状態で、センサーを取り囲むガスを加熱するということである。
【０１３２】
加熱器リード線２１の目的は、加熱器２０に電流を給送することである。それらは、別々のアーム７を通って延在する。
【０１３３】
加熱器リード線２１の幅は、ホットプレート６に熱発生を集中させるために加熱器２０を形成しているリード線の幅よりも大きくなっている。たとえば、加熱器リード線２１は、５〜１０μｍの幅を有することが可能であるが、一方、加熱器２０自体のリード線は、１〜５μｍの間の幅を有している。
【０１３４】
加熱器２０は、加熱器リード線２１の内側端部同士の間に延在する単一のリード線によって形成されている。
【０１３５】
有利には、加熱器２０は、ホットプレート６の中心点２５（それは、図面の中で４５°の十字によって示されている）の周りの回転の下で、２回対称性を有している。それは、中心点２５の周りの円形に沿って延在する第１のセクション２６と、同じ円形に沿って延在する第２のセクション２７と、半径方向のセクション２８とから構成されており、半径方向のセクション２８は、第１のセクション２６の第１の端部２６ａと第２のセクション２７の第１の端部２７ａとを接続している。第１のセクション２６の第２の端部２６ｂは、加熱器リード線２１のうちの第１のものに接続されており、一方、第２のセクション２７の第２の端部２７ｂは、加熱器リード線２１のうちの第２のものに接続されている。
【０１３６】
有利には、前記第１および第２のセクション２６、２７のそれぞれは、中心点２５の周りに、少なくとも１２０°の方位角にわたって延在している。
【０１３７】
第２の金属層：
第２の金属層１４は、示されている実施形態では、ブリッジ構造体３の中の最上部の金属層である。それは、有利には、プラチナまたは金の層である。第２の金属層１４によって形成される構造体は、図５の中の破線で示されており、図７の中の黒い領域として示されている。
【０１３８】
示されている実施形態のほとんどにおいて、第２の金属層１４は、１対の電極３０、３１と、電極リード線３２、３３と、温度センサー３４と、温度センサーリード線３５、３６とを形成している。
【０１３９】
電極３０、３１の目的は、センシング材料のパッチ８の抵抗を測定するために電気的に接触することである。それらは、最上部の誘電体層１５の中に適切に設置されているウィンドウ３６によって、パッチ８に露出させられている。
【０１４０】
電極３０、３１は、ホットプレート６の中心点２５に同軸になっている。示されている実施形態では、１つの電極は、円形の中心電極３０である。他の電極は、外側電極３１を形成しており、中心電極３０の周りに少なくとも２４０°の角度に沿って延在しており、とりわけ、少なくとも２７０°の方位角に沿って延在している。有利には、外側電極３１は、中心点２５に同軸の円形に沿って延在している。
【０１４１】
電極リード線３２、３３は、電極３０、３１を図１の処理回路４ａ、４ｂに接続しており、また、アーム７のうちの第１のものを通って延在している。
【０１４２】
温度センサー３４の目的は、それぞれのホットプレート６ａ、６ｂ、６ｃ、および６ｄの上の温度を測定することである。また、ホットプレート６ａ、６ｂ、６ｃ、および６ｄのそれぞれの温度センサー３４から導出される温度または温度信号は、センサー１００の動作モードに依存する異なる目的のために使用される。
【０１４３】
第１の動作モードにおいて、温度センサー３４は、とりわけ、ホットプレート６ａ、６ｂ、６ｃ、および６ｄの温度を制御するために使用される。それに加えて、温度センサー３４の信号は、温度依存性を考慮に入れるために使用され得る。
【０１４４】
第２の動作モードにおいて、温度センサー３４は、とりわけ、分析されるはずのガスの熱的特性を測定するために使用される。より具体的には、第２の動作モードの静的サブモードにおいて、それぞれのホットプレートの温度センサー３４は、それぞれのホットプレート／ブリッジ構造体の対応する温度を測定する。加熱モードで動作させられている第１のホットプレート６ａと、センシングモードで動作させられている他の３つのホットプレート６ｂ、６ｃ、および６ｄとの間の温度差から、ガスの熱伝導率が導出され得る。第２の動作モードの動的サブモードにおいて、それぞれのホットプレートの温度センサー３４は、たとえば、温度信号として、ホットプレート６ａ、６ｂ、６ｃ、および６ｄの経時的な温度を測定する。次いで、センサー１００は、これらの温度信号から、たとえば、第１の（加熱）ホットプレート６ａの温度信号とセンシングホットプレート６ｂ、６ｃ、および６ｄの温度信号との間の位相シフトを導出する。次いで、これらの位相シフトは、周囲のガスの熱伝導率および熱容量を導出するために使用され得る。
【０１４５】
有利な実施形態によれば、温度センサー３４は、共通の外側円形に沿って延在する第１のセクション３８と第２のセクション３９とを備えており、前記第１および第２のセクションのそれぞれが、有利には、少なくとも９０°の方位角にわたって延在した状態になっている。それは、外側円形に対して同軸に所定の距離にある内側円形に沿って延在する第３のセクション４０をさらに備えている。有利には、第３のセクション４０は、少なくとも１８０°の方位角にわたって延在している。両方とも、すなわち、内側円形および外側円形は、有利には、ホットプレート６の中心点２５に同軸になっている。第１のセクション３８の一方の端部３８ａおよび第２のセクション３９の一方の端部３９ａは、接続リード線４１、４２によって、第３のセクション４０の両側の端部４０ａ、４０ｂに接続されており、その接続リード線４１、４２は、有利には、第１、第２、および第３のセクション３８〜４０のいずれかよりもはるかに短い、有利には、少なくとも１０倍短い、真っ直ぐのセクションまたは湾曲したセクションによって形成されている。第１および第２のセクション３８、３９の第２の端部３８ｂ、３９ｂは、温度センサーリード線３５、３６に接続されている。
【０１４６】
温度センサーリード線３５、３６は、温度センサー３４を処理回路、たとえば、図１の回路４ａ、４ｂに接続している。それらは、有利には、アーム７のうちの第２のものを通って延在しており、すなわち、電極リード線３２、３３と同じアームを通って延在してはいない。
【０１４７】
示されている実施形態では、２つの別々の温度センサーリード線３５、３６は、有利には、第１のセクション３８の第２の端部３８ｂに接続されており、２つの別々の温度センサーリード線３５、３６は、第２のセクション３９の第２の端部３９ｂに接続されており、それは、温度センサーリード線の一方の対３６が電流を運搬し、他方の対３５が温度センサー３４にわたる電圧降下を測定するために使用される状態で、４点測定を実施することを可能にし、それによって、電流を運搬するリード線にわたる任意の電圧降下を排除する。
【０１４８】
図９に図示されているような別の実施形態は、以前の実施形態のいずれかと組み合わせられ得る、実際には、ブリッジ構造体が２つ以上のアームによって保持された中央領域を備える任意の実施形態と組み合わせられ得る、特徴を教示している。
【０１４９】
示されている図９の実施形態は、上記に定義されている意味において、中央領域の縁部５２が複数の凹部および／または突起部を形成しているという点において、以前の実施形態とは異なっている。
【０１５０】
有利には、縁部５２の突起部および凹部は、最大の機械的強度のために、ブリッジ３のすべての誘電体層（すなわち、すべての誘電体層が、縁部５２まで延在している）によって形成されている。
【０１５１】
突起部および凹部は、有利には、ベイ５４によって分離されている一連のフィンガー５３を形成しており、とりわけ、少なくとも４つの、有利には、少なくとも６つのそのようなフィンガーを形成している。
【０１５２】
１つの有利な実施形態では、ベイの方位角の幅は、１μｍから３μｍの間にあり、それらの半径方向の長さは、２μｍから４μｍの間にあり、とりわけ３μｍである。
【０１５３】
その凹部および／または突起部を備えた縁部５２は、ホットプレート６の縁部または周囲の合計長さを増加させる。上記に述べられているように、この設計は、センシング材料の液体前駆体を中央領域により良好に閉じ込めることを可能にし、また、それが縁部を越えて流れ出ることを防止することを可能にする（ピンニング）。
【０１５４】
他方では、十分な量の液体前駆体が追加される場合には、それは、ベイ５４の中へ流入し始めることとなり、フローが毛細管力によって補強され、それによって、パッチ８をアンカー固定し、層間剥離効果に対抗する。
【０１５５】
図１の実施形態では、それぞれのホットプレート６および対応する中央領域５は、それらのブリッジ構造体３の中心に配置されており、すなわち、それぞれの中央領域５に接続されているアーム７は、等しい長さのものである。
【０１５６】
代替的に、ブリッジ構造体３のうちの少なくとも１つの中央領域５に接続されているアーム７は、等しくない長さのものであってもよく、とりわけ、ブリッジ構造体３のアームの長さは、少なくとも１０％だけ、とりわけ、少なくとも３０％だけ異なっていてもよい。その場合では、中央領域５ならびにホットプレート６は、それらのブリッジ構造体３の中心に配置されていない。
【０１５７】
そのような設計が、図１０に図示されている。第１のホットプレート６ａおよび第３のホットプレート６ｃは、依然として、ブリッジ構造体３ａおよび３ｃの中心にそれぞれ配置されているが、第２のホットプレート６ｂおよび第４のホットプレート６ｄは、非対称の方式で配置されている。そのような設計は、デバイスの密度を増加させるために、とりわけ有用である。そのうえ、それは、ホットプレート同士の間の距離、および、第２の動作モードにおける加熱ホットプレートとセンシングホットプレートの間の熱流を適合／設計するための変動性を増加させる。
【０１５８】
とりわけ、および、より詳細に図１１に図示されているように、デバイスが少なくとも２つの並列した近隣のブリッジ構造体３ａ、３ｂを備えており、近隣のブリッジ構造体３ａ、３ｂの中央領域５ａ、５ｂが、ブリッジ構造体３ａ、３ｂに沿う方向に（すなわち、ブリッジの長手方向に）互いに対してオフセットされている場合には、大きい密度が実現され得る。換言すれば、近隣のブリッジ構造体３ａ、３ｂが開口部または凹部２の第１の側部６１から第２の側部６２へ延在する場合に、第１の側部６１からのそれらの中央領域５ａ、５ｂの中間点の距離Ｘａ、Ｘｂが異なっている。
【０１５９】
とりわけ、中央領域は、それらの直径／幅Ｄの少なくとも半分の距離Ｘだけ、すなわち、少なくともＤ／２だけ、とりわけ、少なくともＤだけ、互いに対してオフセットされている。換言すれば、第１の側部６１からの中央領域５ａ、５ｂの中心点の距離Ｘａ、Ｘｂの差Ｘは、少なくともＤ／２であり、とりわけ、少なくともＤである。
【０１６０】
図１１に図示されているように、この設計は、近隣のブリッジ構造体３ａ、３ｂの長手方向に対して垂直の方向に、少なくとも２つの近隣のブリッジ構造体３ａ、３ｂの中央領域５ａ、５ｂの中心の距離Ｙが、中央領域の幅Ｄよりも小さくなるように、中央領域５を配置させることさえも可能にする。
【０１６１】
図示しやすくするために、図１１のブリッジ構造体３ａおよび３ｂは、図１０の図示に対して９０°だけ回転されているということが留意されるべきである。
【０１６２】
図１３は、第２の動作モードの別の実施形態を図示している。この実施形態では、センサー１００は、第３のホットプレート６ｃを加熱モードで動作させ、他のホットプレート６ａ、６ｂ、および６ｄのうちの１つまたは複数をセンシングモードで動作させている。
【０１６３】
この実施形態における第２の動作モードは、静的サブモードまたは動的サブモードであることが可能である。したがって、第３のホットプレート６ｃは、一定のまたは静的な加熱パワーＨＰ７によって動作させられ得る。他のホットプレート、すなわち、第２のホットプレート６ｂ、第１のホットプレート６ａ、および第４のホットプレート６ｄは、センシングモードで同時に動作させられ、また、第２のホットプレート／センシングホットプレートとも一般に称され得る。センシングホットプレートは、加熱パワーＨＰ７に応答して、温度変化の測定を実施する。より具体的には、ホットプレート６ａは、温度測定ＴＭ９を実施し、ホットプレート６ｂは、温度測定ＴＭ１０を実施し、ホットプレート６ｄは、温度測定ＴＭ１１を実施する。
【０１６４】
次いで、センサー１００は、たとえば、それぞれ、ホットプレート６ａ、６ｂ、および６ｄの温度Ｔ９、Ｔ１０、および／またはＴ１１に対するホットプレート６ｃの温度Ｔ１２の比率から、ガスの熱伝導率を決定することが可能である。
【０１６５】
注記：
上記の実施形態では、温度センサー３４は、加熱器２０から分離している。述べられているように、温度センサーは、代替的に、加熱器自体によって形成され得る。そのような実施形態によれば、第１の金属層１２は、たとえば、タングステン層またはプラチナ層であることが可能である。その場合では、有利には、補助センシングリード線が、４点測定を実施するために、第１の金属層１２の中に埋め込まれている。そのようなセンシングリード線は、図８の中で点線５５によって示されている。
【０１６６】
有利には、ブリッジ構造体３は、熱伝導率および熱質量を低減させるために、シリコン層を含有していない。とりわけ、ブリッジ構造体３は、誘電体層、たとえば、層１１、１３、１５など、２つのまたは３つの金属層、たとえば、層１２、１４、５９など、ならびに、センシング材料のパッチ８のみから構成されている。
【０１６７】
上記に示されているように、パッチ８は、ホットプレート６の一方だけの側または両側に適用され得る。後者の場合では、パッチ８は、有利には、ホットプレート６の中の開口部の側縁部の上に延在するか、または、ホットプレート６の中の開口部を通って延在しており、その場合では、１つの電極が、ホットプレート６の底部側に装着され得る。
【０１６８】
上記の例では、中央領域５は、円形の周囲を有している。しかし、中央領域５は、また、非円形の周囲、たとえば、長方形または多角形の周囲などを有することも可能である。長方形の周囲を有するブリッジ構造体の例が、図１２に示されている。
【０１６９】
上記の実施形態において見ることができるように、ブリッジ構造体３の長手方向軸線は、有利には、それらが接続されている凹部または開口部２の縁部に対して垂直に延在しているが、その理由は、これが、デバイスの設置面積を低減させるからである。
【０１７０】
アーム７は、有利には、長方形になっており、すなわち、それらは、その長さに沿って一定の幅を有している。
【０１７１】
第１の動作モードにおいて、デバイスの異なるブリッジ構造体のホットプレートは、たとえば、２００℃から５００℃の間の異なる温度に維持され得る。近隣のブリッジ構造体の間の温度差は、かなりのものである可能性がある。したがって、温度の正確な制御を実現するために、ＣＭＯＳ回路４ａ、４ｂの中のホットプレートの中の温度を維持するための制御電子機器を実装することが、とりわけ有利である。
【０１７２】
図１４は、センサー、たとえば、図１〜図１３を参照して上記に説明されているようなセンサーを動作させるための方法１４００の方法ステップのフローチャートである。
【０１７３】
ステップ１４１０において、方法が開始される。
【０１７４】
ステップ１４２０において、センサーが第１の動作モードもしくは第２の動作モードで動作させられるものとするか、または、第１の動作モードと第２の動作モードの両方で動作させられるものとするかということが決定される。実施形態によれば、第１および第２の動作モードは、並列にまたは交互に動作させられ得る。
【０１７５】
センサーが第１の動作モードで動作させられるものとする場合には、第１の動作モードがスイッチオンされる。次いで、センサーは、ステップ１４３０において、第１のパッチ、たとえば、図１の第１のパッチ８ａの電気的特性の測定を実施する。
【０１７６】
センサーが第２の動作モードで動作させられるものとする場合には、第２の動作モードがスイッチオンされる。次いで、ステップ１４４０において、センサーは、第１のホットプレート６ａおよび／または第３のブリッジ構造体のホットプレートを加熱モードで動作させ、したがって、周囲のガスを加熱する。そのうえ、ステップ１４５０において、センサーは、第１のホットプレート６ａおよび／または第３のブリッジ構造体のホットプレートの加熱に依存して、ガスの熱的特性の測定を実施するために、第２のブリッジ構造体をセンシングモードで動作させる。ステップ１４４０および１４５０は、実施形態によれば同時に実施される。熱的特性は、ガスの熱容量、熱伝導率、および／または熱拡散率である。より具体的には、センサーは、ステップ１４５０において、第１のホットプレートおよび／または第３のブリッジ構造体のホットプレートの加熱の結果として、温度変化または１つもしくは複数の温度パラメーターを測定する。次いで、ステップ１４６０において、センサーは、温度変化および／または温度パラメーターから、ガスの熱的特性を決定する。
【０１７７】
実施形態によれば、ステップ１４４０において実施される、第１のホットプレート６ａおよび／または第３のブリッジ構造体３ｃのホットプレート６ｃの加熱は、非連続的な加熱、とりわけ、パルス状のまたは正弦波の加熱であることが可能である。
【０１７８】
そのうえ、そのような実施形態によれば、センサーは、ステップ１４５０において、第１のホットプレートおよび／または第３のブリッジ構造体３ｃのホットプレート６ｃの温度信号と第２のブリッジ構造体３ｂの温度信号との間の位相シフトの測定を実施することが可能である。位相シフトは、本発明の実施形態による温度パラメーターを確立する。
【０１７９】
別の実施形態によれば、センサーは、ステップ１４５０において、第１のブリッジ構造体、第２のブリッジ構造体、および／または第３のブリッジ構造体の温度信号の振幅またはパルス高さの測定を実施することが可能である。温度信号は、とりわけ、それぞれのブリッジ構造体の温度センサーによって測定される温度であることが可能である。振幅またはパルス高さは、本発明の実施形態により、温度信号の温度パラメーターを確立する。
【０１８０】
実施形態によれば、センサーの動作、および、方法ステップの実行は、センサーの電子回路によって、たとえば、図１を参照して説明されているような回路４ａ、４ｂによって、制御され得る。
【０１８１】
本発明のさまざまな実施形態の説明が、図示の目的のために提示されてきたが、それは、網羅的なものであること、または、開示されている実施形態に限定されるものであることを意図していない。多くの修正例および変形例が、説明されている実施形態の範囲および趣旨から逸脱することなく、当業者に明らかになることとなる。本明細書で使用されている専門用語は、実施形態の原理、実用的用途、もしくは、市場に見出される技術を上回る技術的改善を最良に説明するために選ばれたか、または、当業者の他の者が本明細書で開示されている実施形態を理解することを可能にするために選ばれた。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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